基于风能收集的自供电无线传感器网络节点设计

黎水平，程家豪

(武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)

无线传感器网络由于具备低功耗、自组织和可分布式特点逐渐被广泛用于军事、工业以及民用领域[1-3]。传统的无线传感器网络节点一般使用电池进行供电，但由于无线传感器网络节点往往布置在环境比较恶劣、人员难以到达的地区，因此使用电池供电存在更换困难的问题，并且废弃的电池容易造成环境污染。一般通过收集如机械能(振动能、风能等)、太阳能、热能等环境能源作为电池的替代方案来解决电池供电带来的一系列问题[4]。

笔者提出了一种基于风能收集的自供电无线传感器网络节点设计方案。设计了一种微型风能收集器，采用压电悬臂梁结构作为换能装置。由于微型风能收集器无法直接给无线传感器网络节点供电，设计了一种基于并联同步开关电感电路和MAX1672稳压芯片的能量管理电路。采用CC2530为控制芯片、SHT20为温湿度传感器，设计了一种具备温湿度监测功能的无线传感器网络节点，并以所设计的风能收集器和能量管理电路作为供电电源进行了测试，验证了所提出的自供电无线传感器网络节点设计方案的可行性。

1 风能收集器结构设计

根据现有的Savonius型风力发电机研究成果[5]，设计了一种微型风能收集器，其结构如图1所示。当有风吹向风能收集器时，Savonius型风轮会开始转动。转动的Savonius型风轮通过旋转轴将风的作用力传递到拨片上，从而使得拨片和Savonius型风轮同步转动。转动的拨片会击打固定在圆形底座周围的压电悬臂梁，迫使压电悬臂梁产生弯曲振动，从而使得压电片产生形变。由于压电片的正压电效应，在压电片的两边表面会产生电压。

图1 风能收集器结构图

风能收集器的压电换能装置采用的是压电并联双晶悬臂梁结构，压电陶瓷片分布在磷青铜基板上下两个表面，两个表面上的压电陶瓷片采用并联方式进行连接，如图2所示。相比于压电单晶悬臂梁结构，压电双晶悬臂梁结构输出功率更大。而相比于压电串联双晶悬臂梁结构，虽然它们输出功率相同，但是压电并联双晶悬臂梁结构的输出电流是压电串联双晶结构的两倍[6]。由于压电片内阻比较大，达到兆欧级别[7]，输出电流非常小，因此需要通过采用并联连接方式提高输出电流，从而加快储能单元的充电速度。

图2 压电并联双晶悬臂梁结构

2 能量管理电路设计

由于所设计的风能收集器输出的是交流电，不能直接给无线传感器网络节点供电，因此需要设计能量收集接口电路进行整流。另外，由于无线传感器网络节点需要3.3 V的供电电压，因此还需要设计稳压电路使得输出电压为3.3 V。此外，由于风能收集器的实时输出功率非常小，不能满足无线传感器网络节点的功耗要求，需要将风能收集器的输出能量进行存储[8]。

能量收集接口电路采用的是并联同步开关电感电路，主要由最大位移开关电路、最小位移开关电路和二极管整流桥组成，具体电路如图3所示。最大位移开关电路由包含R1、D1、C1的检波器、比较器Q1和开关Q2组成，最小位移开关电路由包含R2、D2、C2的检波器、比较器Q4和开关Q3组成。最大位移开关电路工作原理是通过检波器中的C1跟随压电元件的输出电压，由于检波器中的R1和D1存在压降使得C1两端的电压小于压电元件的输出电压，因此Q1的发射极电压小于基极电压，Q1处于截止状态，进一步导致Q2也处于截止状态。当压电元件振动位移到达最大值并开始减小时，压电元件的输出电压也会开始减小，由于电容放电速度慢，因此此时C1上的电压保持不变，Q1的发射极电压会比基极电压高，从而使得Q1处于饱和状态，既而使得Q2也处于饱和状态，最终实现了在压电元件振动位移达到最大值时并联一个电感至压电元件和二极管整流桥之间。最小位移开关电路工作原理与之类似，只是最小位移开关电路是在压电元件振动位移达到最小值时并联一个电感至压电元件和二极管整流桥之间，具体实现原理这里不再详述。当最大位移开关电路或最小位移开关电路的开关器件处于饱和状态即导通时，L1会和压电元件的自身耦合电容形成LC振荡电路，从而实现压电元件输出电压的翻转。通过在压电元件振动位移到达极值时翻转输出电压，并联同步开关电感电路实现了比标准能量收集电路更高的能量收集效率。

图3 能量收集接口电路

稳压电路采用的是Maxim公司推出的MAX1672稳压芯片，具体电路如图4所示。MAX1672可以提供升压和降压转换，内部集成了一个升压型DC-DC转换器和一个线性稳压器。支持1.8～11 V的输入电压，具备3.3 V和5 V的预置输出电压。输出电压也可以通过外接两个电阻进行设置，可以设置的范围为1.25～5.5 V，图4中设置的输出电压为3.3 V。输出电流在输入电压大于1.8 V时为150 mA，在输入电压大于2.5 V时为300 mA。静态电流低至85 uA，在逻辑控制关断模式下可进一步降低至0.1 uA。MAX1672芯片内部有一个用于低电压检测的比较器，可以通过调节图4中的R3和R4设置低电压检测阈值，图4中设置的低电压检测阈值为2.1 V。

图4 稳压电路

目前，用于能量存储的元件主要有普通电容、锂电池和超级电容[9]。普通电容容量较低且能量衰减比较快，锂电池需要过充保护且安全性较差，而超级电容充电速度快、使用寿命长且安全性高。因此选择超级电容作为所设计的风能收集器的储能元件，容值为0.022 F。

3 无线传感器网络节点设计

所设计的无线传感器网络节点主要由风能收集器、能量管理电路、能量存储单元、传感器模块、微处理器模块和无线射频模块组成，如图5所示。

微处理器模块采用的是TI公司推出的第二代ZigBee片上系统解决方案CC2530[10]，其内嵌了一个高性能低功耗的8051内核，工作电压的典型值为3.3 V。并且，CC2530具有2个USART、1个8通道12位模数转换的ADC、4个定时器、1个睡眠定时器以及21个可编程I/O引脚等外设，能

图5 自供电无线传感器网络节点组成

够满足大多数无线传感器网络设计需求。为了降低节点的功耗和体积，无线射频模块采用的是CC2530内部集成的无线射频收发器。该射频收发器支持IEEE 802.15.4标准，工作频率为2.4 GHz，传输距离可达1 000 m，具备良好的无线接收灵敏度和较强的抗干扰性。图6为基于CC2530的控制与射频电路。

图6 基于CC2530的控制与射频电路

传感器模块选用的是瑞士Sensirion公司推出的低功耗数字温湿度传感器SHT20。SHT20支持2.1～3.6 V的工作电压，休眠状态下功耗低至0.5 uW，测量状态下功耗为0.9 mW。将分辨率设置为8～14 bit，相比于前代的温湿度传感器如SHT11，在测量准确性和可靠性方面都得到了提升。它采用IIC进行数据通信，抗干扰性强。图7为以SHT20为核心的温湿度测量电路。

图7 SHT20温湿度传感器电路

4 实验结果分析

通过3D打印技术制作了风能收集器实物，如图8所示。其中，风能收集器的压电换能装置参数如表1所示。实验测得风能收集器的输出电压、输出功率和风速的关系曲线如图9所示，风能收集器的输出功率和负载电阻之间的关系曲线如图10所示。从图9和图10可知，风能收集器的启动风速为3 m/s，最佳负载为30 kΩ，在匹配电阻下的最大输出功率为220 uW。

图8 风能收集器实物

表1 压电悬臂梁参数

图9 风能收集器的输出与风速关系

图10 风能收集器输出与负载关系

图11 能量管理电路实物

图12 无线传感器网络节点实物

图11为制作的能量管理电路实物，图12为设计的温湿度无线传感器网络节点实物。使用该节点搭建了一套无线传感器网络温湿度监测系统，该节点在监测系统中负责将节点拓扑数据和监测到的温湿度数据分别按照表2和表3的通信格式发送到协调器节点。对节点的功耗进行测试，结果表明：节点在正常工作时消耗的电流为8.72 mA，在发送数据时消耗的电流为32.73 mA，在进入休眠状态时消耗的电流为1 uA。设置无线传感器网络节点数据发送周期为90 s，使用所设计的风能收集器进行供电，实验结果表明：无线传感器网络节点能够达到能量平衡状态，可以正常工作。

表2 节点拓扑数据通信格式 字节

表3 节点温湿度数据通信格式 字节

5 结论

笔者提出了一种基于风能收集的自供电无线传感器网络节点的设计方案，设计了微型压电式风能收集器和能量管理电路，取代了传统的电池给无线传感器网络节点供电，有效解决了无线传感器网络节点面临的供电难题。实验结果表明，所设计的自供电无线传感器网络节点在以90 s间隔发送数据时，能够长时间正常工作。